유산소운동의 용어개념 에너지 시스템 생리적 반응

만성질환자나 장애인의 지구력 훈련, 피트니스 증진을 위해 최근 연구가 활발하다. 일반적인 만성 질환을 위한 유산소운동의 용어와 개념을 정리하고 에너지 시스템에는 무엇이 있는지, 유산소 운동의 생리적 반응을 알아본다.

유산소운동의 용어와 개념

신체활동 (physical activity)이란 뼈대근 수축으로 발생되는 신체적인 움직임으로 안정 시 에너지 소비량이 실질적으로 증가하는 것이라 정의한다. 운동 (Exercise)은 신체의 피트니스를 증진시키거나 유지하기 위해 계획적이며 체계적으로 고안된 신체활동이다. 신체 피트니스(Physical Fitness)란 신체활동을 수행하는 능력을 설명하는 용어이다. 신체활동의 수행에는 심폐계의 기능, 근육의 순발력 및 지구력, 근육뼈대계의 유연성이 필요하다. 최상의 신체구성 또한 피트니스를 설명하는데 포함된다. 신체적으로 적합한 상태가 되기 위해서는 개개인이 큰 근육군의 사용과 심폐계에 자극을 주는 형태의 신체활동을 규칙적으로 해야 한다. 모든 연령층의 개개인들은 걷기, 자전거 타기, 달리기, 수영, 계단 오르내리기, 크로스컨트리 스키, 웨이트 트레이닝 등을 포함한 활동에 참여함으로써 자신의 전반적인 피트니스를 증진시킬 수 있다. 피트니스 수준은 한 바우트(bout)의 운동에 소모되는 에너지를 기초로 하여 나쁨(poor)에서 우수(superior)까지의 서열로 표현할 수 있다. 이러한 비율은 신체의 최대산소소모량(maximal oxygen consumption; VO₂max)을 직접 또는 간접적으로 측정한 것을 기본으로 한다. 산소소모량은 연령, 성별, 유전, 비활동, 질병 등에 영향을 받는다. 최대산소소모량(VO₂max)은 신체의 산소 사용능력을 측정한 것으로, 대개 수영, 걷기, 달리기 등과 같이 많은 큰 근육을 사용하는 한 바우트의 운동할 때 측정된다. 이것은 개개인의 운동이 최대치에 도달했을 때 분당 소모되는 산소의 최대량을 말한다. 최대산소소모량은 산소공급, 혈액의 산소함량, 심장기능, 모세혈관의 산소소모, 근육의 산화량 등에 달려 있다. 피트니스의 한 척도로서 지구력 (endurance)은 오랜 시간 일(work)을 할 수 있는 능력이며, 또한 피로를 견뎌내는 능력이다. 여기에는 근육의 지구력과 심혈관계의 지구력이 포함된다. 근지구력이 특정 근육군의 장시간 반복수축하는 능력인데 비하여 심혈관 지구력은 큰 근육의 동적 운동 즉 장시간 걷기, 수영, 자전거 타기 등을 수행하는 능력을 말한다. 유산소운동 훈련(aerobic exercise training) 또는 컨디셔닝(conditioning)은 운동 프로그램을 통하여 근육의 에너지 이용을 증가시킬 수 있다. 에너지를 사용하기 위한 근육의 능력 증진은 증가된 미토콘드리아(mitochondria) 밀도와 크기, 증가된 근섬유 모세관의 공급은 물론 증가된 근육의 산화효소 수준이 직접 작용한 결과이다. 따라서, 훈련은 충분한 횟수, 강도, 시간에 달려 있다. 훈련은 심혈관계와 근육계가 적응되어야 하며 개개인의 지구력이 반영되어야 한다. 특정 스포츠나 경기를 위한 훈련은 한정성 원리(specificity principle)에 따라 달라진다. 즉, 한 훈련으로 발달시킨 운동종목이 다른 종목을 발달시키지는 않는다. 예를 들어, 수영은 수영 경기력을 향상할 수는 있으나 트레드밀에서 달리기의 수행력을 향상하지는 못한다. 적응 (Adaptation)이란심혈관계와 근육계의 다양한 신경학적, 물리적, 생화학적 변화들의 결과에 부응하는 수행능력의 향상을 말한다. 장시간 훈련하기 위해서는 심혈관계와 근육이 적응되어야 한다. 이 현저한 변화는 적어도 10~12주 안에 측정될 수 있다. 적응(adaptation)의 결과로서, 심혈관계와 작용근의 효율성이 증가된다. 똑같은 양의 작업을 하더라도 훈련 후에는 수행력이 향상되어 생리적인 손실이 낮아진다. 적응은 유기체의 변화능력과 훈련 자극역치(훈련반응을 일으키는 자극)에 달려 있다. 피트니스 수준이 낮은 사람은 피트니스 수준이 높은 사람보다 향상될 여지가 더욱 크다. 훈련 자극역치는 개인에 따라 다르다. 현저한 변화를 일으키기 위해서는 초기 피트니스 수준을 높이고 운동강도를 크게 할 필요가 있다.

에너지 시스템 (Energy Systems)

에너지 시스템이란 아데노신삼인산(adenosine triphosphate; APT), 이산화탄소(carbon dioxide), 물의 형성결과로 인한 일련의 생화학적 반응을 포함한 대사시스템이다. 대사작용은 ATP가 아데노신 이인산(adenosine diphosphate; ADT)과 인(phosphate; P)으로 분해되면서 발생되는 에너지를 세포가 이용함으로써 이루어진다. 근세포는 이 에너지를 근수축시 일어나는 actin-myosin cross bridge 형성에 사용한다. 여기에는 3가지의 주요 에너지 시스템이 있다. 각각의 대사시스템이 작용하는 시기와 정도에 따라 운동의 강도와 지속시간이 결정된다. 첫째, 인원질 또는 ATP-PC 시스템(Phosphagen, or ATP-PC System)으로 다음과 같은 특성이 있다.

1.산소가 필요하지 않다. 2. 크레아틴 인산(phosphocreatine)과 ATP는 근세포에 저장되어 있다. 3. 크레아틴 인산은 화학적 연료원이다. 4. 근육이 쉬고 있을 때 ATP-PC의 공급이 보충된다. 5.이 시스템은 단시간의 빠르고 집중적인 신체활동을 위한 에너지를 제공한다. 6.격렬한 운동을 할 때 처음 30초 동안의주요 에너지원이다. 7. 이 시스템의 최대용량(maximal capacity)은 작다 (0.7 mol ATP). 8. 이 시스템의 최대력 (maximal power)은 크다 (3.7 mol ATP/min). 둘째, 무산소 해당시스템(Anaerobic Glycolytic System) 다음과 같은 특성이 있다. 1.산소가 필요하지 않다 (무산소성). 2. 글리코겐(글루코스)이 연료원이다(당분해대사). 3. ATP는 근세포에서 재합성된다. 4. 젖산(lactic acid)이 무산소성 당분해 작용에 의해 생성된다. 5. 이 시스템의 최대용량은 중간 정도이다 (1.2 mol ATP). 6. 이 시스템의 최대력은 중간 정도이다 (1.6 mol ATP/min). 7. 이 시스템은 단시간의 중간 정도의 신체활동을 위한 에너지를 제공한다. 운동 시작 후 30초부터 90초까지의 주요 에너지원이다. 셋째, 유산소 시스템 (Aerobic System)이다.유산소 시스템은 다음과 같은 특성이 있다. 1.산소가 필요하다(유산소성). 2. 글리코겐, 지방, 단백질이 연료원으로, 운동의 효용성과 강도에 비례하여 사용된다. 3. ATP는 근세포의 미토콘드리아에서 재합성된다. 산소와 다른 기질(substrates)의 능력은 미토콘드리아 및 세포의 수와 밀집도에 비례한다. 4. 이 시스템은 운동 시작 2분 후에 다른 에너지 시스템 보다 우세하게 된다. 5. 이 시스템의 최대용량은 크다(90.0 mol ATP). 이 시스템의 최대력은 작다 (1.0 mol ATP/min). 운동단위의 동원 (Recruitment of Motor Units)은 작업률(work rate)에 따라 달라진다. 운동을 하는 동안 근섬유들이 선택적으로 동원된다. 근섬유 종류에는 1. 느린 연축섬유(slow-twitch fiber: I형)는 느린 수축반응의 특성이 있으며, 마이오글로빈(myoglobin)과 미토콘 드리아가 풍부하여 높은 산화 능력과 낮은 유산소 능력이 있어 지구력을 요하는 활동에 동원된다. 이러한 섬유들은 활성화에 낮은 역치를 지닌 작은 신경원(neuron) 들에 의해 지배되고, 낮은 강도의 운동에 우선적으로 참여한다. 2. 빠른 연축섬유(fast-witch fiber: II B형)는 빠른 수축반응의 특성이 있으며, 마이오글로빈 수치는 낮으며 미토콘드리아는 거의 없으나 높은 해당 능력이 있어 힘을 요구하는 활동에 동원된다. 3. 빠른 연축섬유(fast-twitch fiber: II A형)는 I형과 II형의 특성을 모두 지니고 있어 무산소 및 유산소 활동 모두에 동원된다. 기능적 영향 (Functional Implications)으로수초 동안의 폭발적인 강한 운동(bursts of intense activity)은 근력을 발달시키고 건과 인대를 더욱 강하게 한다. 이때 ATP는 인원질 시스템에서 공급받는다. 4분 동안의 휴식이나 가벼운 운동 후에 반복되는 1~2분 동안의 강한 운동(intense activity)은 무산소적인 힘을 강화시킨다. ATP는 인원질과 무산소성 해당시스템으로 부터 공급받는다. 큰 근육(large muscles)의 경우 3~5분 동안 휴식 또는 가벼운 운동 후에 같은 시간만큼 반복되는 최대강도보다는 약간 낮은 운동은 유산소적인 힘과 지구력을 발달시킨다. ATP는 인원질, 무산소성 해당시스템, 유산소시스템으로부터 공급받는다.

유산소 운동의 생리적 반응

운동을 하는 동안 에너지 요구량의 빠른 증가는 필요한 산소와 영양소를 증가시키고, 이산화탄소와 젖산과 같은 최종 대사산물을 제거하고, 열을 발산하기 위하여 똑같이 빠른 순환계의 조정을 필요로 한다. 이러한 신체생리적 반응 변화는 신체의 모든 계통 즉, 신경근계(neuromuscular), 호흡계(respiratory), 심혈관계(cardio-vascular), 대사시스템 (metabolic), 호르몬계(hormonal) 등의 조화로운 활동을 통해 이루어진다. 수축하는 근육의 미토콘드리아에 의한 산소운반과 이용은 세포호흡과 결합된 적절한 혈액의 흐름에 의존하게 된다. 운동에 대한 심혈관계 반응(Cardiovascular Response to Exercise)으로 운동의 촉진반응(Exercise Pressor Response)이 있다.뼈대근의 작은 말이집신경섬유 (myelinated fiber)와 민말이집신경섬유(unmyelinated fiber)를 자극하면 교감신경계(sympathetic nervous system; SNS)가 반응하는데 그 중심경로는 알려져 있지 않다. 교감신경계(SNS)의 반응은 비활동근육 전체의 말초혈관수축, 심근수축 증가, 심박수 증가, 수축기혈압 증가 등이다. 이 결과로 심박출량의 현저한 증가와 재분배가 나타난다. 반응 정도는 운동에 참여한 근육 양과 운동강도에 비례한다. 주위의 온도, 습도, 고도 등은 갑작스러운 운동에 대하여 생리학적인 반응에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 운동반응을 평가할 때 이러한 요인을 통제한다. 심장의 효과 (Cardiac Effects)로 굴심방(동방결절, sinoatrial node) 의 탈분극 횟수가 증가하고 심박수도 증가한다. 이것은 교감신경계(SNS) 자극이 증가함에 따라 미주신경의 자극이 감소되기 때문이다. 심장근섬유 힘의 발달이 증가하는데, 이것은 SNS의 직접적인 근수축촉진 반응(inotropic response)으로 심근의 수축력을 증가시키는 것이다. 말초혈관의 효과 (Peripheral Effects)로는 전반적인 혈관수축은 비활동 근육, 신장, 간, 비장, 내장 등의 혈액을 문합(shunt)하여 작업하는 근육으로 보낸다. 독자적인 자율신경계는 Mg2+, Ca2+, ADP, Pco와 같은 대사산물에 의해 활동근육의 동맥혈관바탕 (arterial vascular bed)의 저항을 집중적으로 감소시킨다. 비활동근육뿐만 아니라 활동근육의 정맥을 수축된 상태로 만든다. 심박출량 증가 (increased cardiac output)는 일회 박출량, 심박수, 활동근육의 혈류량 증가와 함께 심근의 수축력 증가로 나타나고, 또한 말초정맥압을 상승시키는 활동 및 비활동 근육의 정맥순환에 대한 혈관수축 의 증가로 나타난다.